ES2293579T3 - Procedimiento y aparato para el control continuo de la calidad de un cable de aleacion con memoria de forma. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para el control continuo de la calidad de un cable de aleación de memoria de forma o similar, caracterizado porque comprende los siguientes pasos: a) suministro del cable a través de un aparato en el cual es sometido a un recorrido de temperaturas que cubre una gama tal que comprende las temperaturas de transición características del material del cual está fabricado el cable; b) medición en línea directamente o indirectamente de las variaciones de la longitud del cable en puntos previamente establecidos de dicho aparato que corresponden a diferentes temperaturas conocidas; c) utilización de los datos de la temperatura y de la variación de la longitud para obtener por puntos la curva de histéresis de dicho material en el diagrama de temperaturas-elongación.
Description
Procedimiento y aparato para el control continuo
de la calidad de un cable de aleación con memoria de forma.
La presente invención se refiere a un
procedimiento y un aparato para el control continuo de la calidad de
un cable fabricado de una aleación de memoria de forma (en lo que
sigue a continuación, también definida como "SMA"). Debe
indicarse que aunque se hace referencia a un cable en lo que sigue a
continuación, que es ciertamente la aplicación más importante, el
procedimiento de la invención es aplicable también a otras formas
similares con una dimensión prácticamente infinita y las otras dos
finitas y generalmente pequeñas, por ejemplo cintas o
similares.
Como es conocido, el fenómeno de memoria de
forma reside en el hecho de que la pieza mecánica fabricado de una
aleación que presenta este fenómeno es capaz de cambiar, en un
espacio de tiempo muy corto y sin posiciones de equilibrio
intermedias, entre dos formas, previamente determinadas durante la
fabricación, en respuesta a un cambio de la temperatura. El
fenómeno puede ocurrir en el modo denominado de "una vía", en
el que la pieza mecánica se puede deformar en una única dirección
como resultado del cambio de la temperatura, por ejemplo pasando de
la forma B a la forma A, mientras que la transición opuesta desde la
forma A a la forma B requiere la aplicación de una fuerza mecánica;
en el modo denominado de "dos vías", por el contrario, ambas
transiciones pueden ser causadas por cambios de temperatura.
A partir del documento JP 08081745 es conocido
un aparato para llevar a cabo el procedimiento de la fabricación de
cables rectos de SMA que comprende el paso del suministro del cable
a través del aparato, calentando y enfriando dicho cable para
incrementar su propiedad elástica y detectando en línea la parte
alargada del cable.
Es conocido que estos materiales transforman su
estructura microcristalina pasando desde un tipo denominado
martensítico, estable a bajas temperaturas, hasta un tipo denominado
austenítico, estable a temperaturas más elevadas y viceversa. La
transformación entre las dos formas tiene lugar de acuerdo con un
ciclo de histéresis en un diagrama de
temperatura-elongación caracterizado por cuatro
valores de la temperatura: durante el calentamiento, empezando
desde una temperatura baja en la cual la fase martensítica es
estable, se alcanza una primera temperatura A_{s} en la cual
empieza la transformación a la fase austenítica y entonces una
segunda temperatura A_{f} la cual identifica el final de la
transformación en la fase austenítica. Durante el enfriamiento,
empezando desde la gama de temperaturas en la cual la fase
austenítica es estable, se alcanza una tercera temperatura M_{s}
en la cual empieza la transformación a la fase martensítica y
entonces una cuarta temperatura M_{f} en la cual termina esta
transformación. Diagramas de estos ciclos de histéresis se pueden
encontrar, por ejemplo, en las patentes US 4,896,955 y EP 0 807
276.
Las temperaturas reales de las transformaciones
anteriormente mencionadas dependen del tipo de material y de los
procesos de fabricación, pero para cada material estas temperaturas
son siempre del orden de M_{f} < M_{s}, A_{s} <A_{f},
mientras puede ser M_{s} < A_{s} o viceversa de acuerdo con
la velocidad a la que ocurre la transición entre las dos fases.
Ejemplos de composiciones de aleaciones con memoria de forma se
pueden encontrar en la patente US 6,309,184 del solicitante, entre
las cuales principalmente las aleaciones de Ni-Ti
preferiblemente con un 54-54,5% en peso de Ni y el
resto titanio (se permiten indicios de otros componentes).
Para una utilización práctica, un cable de SMA
debe tener diversas características funcionales y tecnológicas las
cuales se estiman con pruebas específicas. Las pruebas típicamente
utilizadas para verificar las características de estos cables son
las cuatro siguientes:
1. Resistencia a la fatiga: una muestra
de cable (por ejemplo, un segmento de 10 cm) se introduce en un
horno, suspendido por un extremo y con un peso colgado en el
extremo libre; el peso se escoge de acuerdo con el diámetro del
cable y generalmente es similar a la carga que tendrá que soportar
el cable en su aplicación real. Calentando y enfriando cíclicamente
la muestra, se somete a una serie de ciclos de elongación y
acortamiento, hasta el fallo;
2. Deformación permanente residual:
consiste en estimar la deformación permanente residual neta de una
muestra tal como la de la prueba anterior, probada en las mismas
condiciones, pero para un número de ciclos inferior a aquél que
causa el fallo (por ejemplo 75% o 90% de los ciclos que causan el
fallo);
3. El ciclo de histéresis: utilizado para
verificar que el cable realmente lleva a cabo las transiciones de
elongación y acortamiento a las temperaturas esperadas para esa
composición. Esta prueba también por el momento se lleva a cabo en
las mismas condiciones que la primera;
4. Carrera: consiste en estimar el
porcentaje de elongación o acortamiento de la muestra durante una
transición. También esta última prueba se lleva a cabo en las
mismas condiciones y con el mismo ajuste experimental que la
primera prueba.
Las cuatro pruebas anteriores por lo tanto son
todas pruebas de muestreo, las cuales se pueden llevar a cabo por
ejemplo en una pieza aproximadamente por cada kilómetro de cable,
pero mientras las dos primeras pruebas son destructivas, y por lo
tanto necesariamente se llevan a cabo en muestras, será preferible
poder llevar a cabo las pruebas 3 y 4 continuamente. De hecho,
llevando a cabo estas dos últimas pruebas como pruebas de muestreo
tiene algunas desventajas.
Una primera desventaja es que pueden haber
faltas de homogeneidad en las características del cable las cuales
no son detectadas, debido a la frecuencia muy baja de muestreo a lo
largo del cable; además con los modos de funcionamiento actuales
estas pruebas se llevan a cabo en paralelo con el proceso de
fabricación y por lo tanto con un incremento del tiempo y de los
costes para tomar la muestra de la línea de fabricación y llevar a
cabo las pruebas fuera de la línea; finalmente, en fabricaciones
industriales es mejor tener cables tan largos como sea posible,
mientras llevar a cabo las pruebas de las muestras como ha sido
descrito hace necesario cortar el cable en partes relativamente
cortas.
El objeto de la presente invención por lo tanto
es proporcionar un procedimiento y un aparato, los cuales superen
las desventajas anteriormente mencionadas. Este objeto se consigue a
través de la presente invención que, en un primer aspecto de la
misma, se refiere a un procedimiento para el control continuo de la
calidad de un cable de aleación de memoria de forma o similar,
caracterizado porque comprende los siguientes pasos:
a) suministro del cable a través de un aparato
en el cual está sometido a un recorrido de temperaturas que cubre
una gama tal que comprende las temperaturas de transición
características del material del cual está fabricado el cable;
b) medición en línea directamente o
indirectamente de las variaciones de la longitud del cable en puntos
previamente establecidos de dicho aparato que corresponden a
diferentes temperaturas conocidas;
c) utilización de los datos de la temperatura y
de la variación de la longitud para obtener por puntos la curva de
histéresis de dicho material en el diagrama de
temperaturas-elongación.
La principal ventaja del presente procedimiento
y del aparato pertinente es por lo tanto permitir la verificación
de las características del cable ya no por muestreo sino
continuamente, de forma que el control de calidad del producto se
lleva a cabo sobre toda la producción.
Otra ventaja considerable deriva del hecho de
que este control se lleva a cabo fuera de línea, ahorrando el
tiempo y el dinero de la toma de muestras y de llevar a cabo pruebas
fuera de línea.
Estas y otras ventajas y características del
procedimiento y del aparato según la presente invención serán
claras para aquellos expertos en la materia a partir de la siguiente
descripción detallada de una forma de realización de la misma con
referencia a los dibujos adjuntos en los cuales:
la figura 1 es una vista frontal esquemática de
un aparato que lleva a cabo el procedimiento según la presente
invención; y
la figura 2 es una vista esquemática desde
arriba del aparato de la figura 1.
El presente procedimiento se basa en la idea de
hacer pasar el cable en continuo por un aparato de medición en el
que es sometido a un recorrido tal de temperaturas que las
temperaturas de transición características anteriormente
mencionadas están abarcadas por la gama del recorrido y la medición
en línea de las variaciones de la longitud del cable durante este
recorrido. Preferiblemente, la temperatura del cable que entra y
sale del aparato de medición es la temperatura ambiente, mientras
en por lo menos un área del aparato el cable es calentado a una
temperatura por lo menos igual a A_{f} (pero preferiblemente
superior a ella). En el interior del aparato es posible disponer de
un perfil térmico que sea continuo o discontinuo, "por
pasos".
En una primera forma de realización del
procedimiento, es posible medir directamente la elongación del
cable, por ejemplo haciendo que el cable deslice sobre puntos de
soporte del aparato, las variaciones de la longitud del cable
causan la aparición y desaparición progresiva de una flecha entre
dichos puntos de soporte y midiendo dicha flecha es posible obtener
las variaciones de longitud que tienen lugar entre los puntos de
soporte: una vez se conocen las temperaturas de estos puntos y las
variaciones de la longitud, es posible obtener la curva de
histéresis del cable.
Sin embargo, puesto que las elongaciones son
pequeñas, es difícil conseguir la medición directa de las mismas,
también porque requiere la utilización de instrumentos ópticos de
precisión a fin de no afectar a la tensión del cable.
Por lo tanto, en una forma de realización
preferida el procedimiento de la invención consiste en la medición
de la variación de la velocidad del cable mientras pasa entre las
áreas a diferentes temperaturas del sistema. Considerando que una
variación de la longitud puede ser expresada como un porcentaje de
la longitud inicial, la variación de la última cuando pasa de una
temperatura a otra puede ser medida como su primera derivada con
respecto al tiempo, es decir como la velocidad; más precisamente, en
el procedimiento de la invención se mide la diferencia de la
velocidad del cable entre diversos puntos de su carrera a través del
aparato los cuales están a temperaturas diferentes. En otras
palabras, suministrando el cable a una velocidad conocida fija y
con una tensión constante adecuada, a través de una secuencia de
áreas a diferentes temperaturas y midiendo la velocidad del cable
en cada temperatura es posible obtener la cantidad de la elongación
(o del acortamiento) que ocurre mientras pasa de una temperatura a
otra. De este modo, integrando las variaciones de la velocidad es
posible obtener por puntos la curva de histéresis en el diagrama
temperatura-elongación y calcular también la
carrera en la transición entre dos temperaturas.
En el presente procedimiento de medición, la
medición de la velocidad del cable es más simple que la medición
directa de las elongaciones o acotamientos que se llevan a cabo en
el procedimiento de flecha anteriormente descrito.
En un segundo aspecto de la misma, la invención
se refiere a un aparato para llevar a cabo el procedimiento de la
invención.
Un ejemplo de un aparato capaz de llevar a cabo
las mediciones de las variaciones de la velocidad se ilustra en las
figuras anteriormente mencionadas, las cuales muestran un cable F
desenrollado mediante una máquina de entrada de desenrollamiento B
y el enrollamiento sobre una máquina de enrollamiento de salida B'.
La tensión del cable F está controlada por una unidad V, colocada
aguas abajo de la máquina de desenrollamiento de entrada B,
provista de dos rodillos de accionamiento R, sobre los cuales se
enrolla el cable F unas pocas veces y con un brazo suelto C que
detecta la tensión del cable. La medición de la tensión por medio
del brazo C ayuda a mantenerla constante actuando sobre el control
de los rodillos R, y según el caso también sobre aquél de los
rodillos R' de una unidad V' la cual controla la velocidad del cable
y que está colocada aguas arriba de la máquina de enrollamiento de
salida B'. Las unidades V y V' están ambas conectadas para una
retroalimentación mutua.
Entre las dos unidades V, V' están colocadas una
serie de cámaras termostáticas T en cada una de las cuales se
mantiene constante una temperatura determinada, por medio de
sistemas de regulación conocidos, de forma que se reproduzca un
cierto perfil de temperatura de una manera discreta. En el ejemplo
ilustrado se proporcionan trece cámaras T con una temperatura de
"escalón", es decir una diferencia de temperatura entre cámaras
adyacentes de 20ºC aumentando primero y descendiendo después, de
tal forma que se obtenga un perfil de temperaturas que será
40-60-80-100-120-140-160-120-100-80-60-40ºC.
En cada cámara T está colocada una polea de
tensión M, mantenida a la temperatura de la cámara y sobre la cual
se enrolla el cable F sin deslizamiento, la cual es utilizada para
medir la velocidad del cable F a través de un codificador de alta
definición que detecta la velocidad de giro de la polea M con
precisión. Dos poleas adicionales M con codificadores pertinentes,
están también colocadas respectivamente aguas arriba y aguas abajo
de las cámaras T para detectar la velocidad del cable a la
temperatura ambiente, la cual normalmente es aproximadamente
20ºC.
20ºC.
Mediante el conocimiento de la velocidad del
cable F en las diversas cámaras T a cada temperatura y puesto que
el paso P entre las poleas M es conocido, es posible obtener la
relación entre la temperatura del cable y la elongación del mismo.
Los parámetros medidos son grabados continuamente en tiempo real por
medio de medios conocidos adecuados, y están provistos
preferiblemente también medios de marcado del cable los cuales son
activados automáticamente si los parámetros de la medición alcanzan
valores fuera de la gama de tolerancia permisible.
En una forma de realización alternativa, entre
las dos unidades V y V', está colocada una única cámara calefactora
con extremos abiertos y las poleas M pueden ser desplazadas a lo
largo de los ejes de dicha cámara; llevando el área central de la
cámara a la temperatura más elevada de interés (160º en el ejemplo
anterior), la dispersión térmica en los extremos abiertos de la
cámara determina un perfil de temperatura en "forma de campana"
a lo largo de la cámara única, con un máximo en la mitad y un
descenso regular hacia los extremos. Si el perfil térmico de la
cámara es conocido es posible desplazar cada una de las poleas M
hasta una posición en la cámara que esté a la temperatura deseada
(por ejemplo, las temperaturas que corresponden a las trece cámaras
de la forma de realización anteriormente descrita). El perfil
térmico de la cámara se puede conocer midiendo la temperatura en
una serie de puntos colocados a lo largo de la cámara, por ejemplo
por medio de termopares o pirómetros ópticos o bien otros sistemas
adecuados; la medición de la temperatura en dichas series de puntos
puede ser llevada a cabo durante una prueba de calibración adecuada,
o de una manera continua durante la prueba de verificación del
cable real. Preferiblemente, los puntos en los cuales se mide la
temperatura a lo largo de la cámara se hace que correspondan a los
puntos en los que están colocados las poleas M.
Es evidente que las formas de realización del
procedimiento y del aparato según la invención descritos
anteriormente en este documento e ilustrados son únicamente
ejemplos susceptibles de numerosos cambios. En particular, se
pueden cambiar diversos parámetros constructivos y funcionales tales
como el número de cámaras T, el "escalón" de la temperatura
entre las cámaras, el desenrollamiento del cable, las unidades de
enrollamiento y suministro; incluso el paso P entre poleas
adyacentes M puede no ser constante mientras sea conocido.
Adicionalmente, en la forma de realización con el perfil de la
temperatura de escalón a lo largo del aparato, se puede renunciar a
las cámaras T utilizando el calentamiento del cable mediante el
efecto joule (por lo menos para el incremento de la temperatura):
aplicando tensiones diferentes en diferentes puntos con los cuales
entra en contacto el cable (pueden ser las mismas poleas M), es
posible establecer caídas de potencial previamente establecidas en
partes únicas del cable y por lo tanto, conociendo la resistencia
del cable, establecer previamente temperaturas conocidas en esas
partes.
De forma similar, la velocidad puede ser
detectada a través de medios diferentes a partir de las poleas con
codificadores anteriormente mencionadas, por ejemplo por medio de
instrumentos ópticos que detecten el paso de marcas colocadas sobre
el cable a una distancia constante, o bien instrumentos ópticos de
lectura láser que no requieran la presencia de marcas sobre el
cable y en los cuales la velocidad de medición de la misma se basa
en el efecto Doppler.
El aparato de la invención, en cualquier
variante del mismo, adicionalmente puede comprender medios de
marcado del cable, para permitir marcar partes del cable en donde
los parámetros medidos en esas partes alcancen valores fuera de la
gama de tolerancia permisible; estos medios de marcado generalmente
son activados automáticamente cuando el sistema detecta que estas
partes del cable no cumplen las especificaciones.
El aparato y el procedimiento de la invención
constituyen el único modo conocido de proporcionar un cable
fabricado de una aleación SMA en el cual se certifica que el 100%
del cable dispone de las características requeridas. Sin embargo,
para ciertas aplicaciones que tengan unos requisitos de calidad
menos estrictos, el procedimiento y el aparato de la invención
pueden ser utilizados de forma que no se compruebe la totalidad del
cable, por ejemplo, el 75% del cable. Esto se pueda hacer por
ejemplo no pasando parte de la longitud del cable por dentro del
sistema, o dejando de grabar datos mesurables por parte del sistema
durante parte del tiempo; en estos períodos, el cable se puede
desplazar más rápidamente desde la máquina de desenrollamiento de
entrada B hasta la máquina de enrollamiento de salida B', acortando
de ese modo el tiempo total de funcionamiento. Funcionando de este
modo, todavía es posible disponer de un buen grado de fiabilidad
sobre las propiedades del cable, suficiente para aplicaciones
inferiores, a un coste inferior.
Claims (15)
1. Procedimiento para el control continuo de la
calidad de un cable de aleación de memoria de forma o similar,
caracterizado porque comprende los siguientes pasos:
a) suministro del cable a través de un aparato
en el cual es sometido a un recorrido de temperaturas que cubre una
gama tal que comprende las temperaturas de transición
características del material del cual está fabricado el
cable;
cable;
b) medición en línea directamente o
indirectamente de las variaciones de la longitud del cable en puntos
previamente establecidos de dicho aparato que corresponden a
diferentes temperaturas conocidas;
c) utilización de los datos de la temperatura y
de la variación de la longitud para obtener por puntos la curva de
histéresis de dicho material en el diagrama de
temperaturas-elongación.
2. Procedimiento según la reivindicación 1
caracterizado porque el cable es suministrado con una
velocidad conocida y con una tensión constante y porque la medición
de las variaciones de la longitud se obtiene a partir de la flecha
entre diferentes puntos de soporte colocados a lo largo del
aparato.
3. Procedimiento según la reivindicación 1
caracterizado porque el cable es suministrado con una
velocidad conocida y con una tensión constante y porque la medición
de las variaciones de la longitud se obtiene midiendo las
variaciones de la velocidad del cable entre puntos diferentes del
aparato.
4. Aparato para el control continuo de la
calidad de un cable (F) o similar de una dirección de memoria de
forma caracterizado porque comprende:
a) medios adecuados para establecer a lo largo
del cable (F) un perfil conocido de temperaturas en una gama que
abarca las temperaturas de transición características del cable;
b) medios adecuados para medir directa o
indirectamente la variación de la longitud del cable (F) en cada
una de las temperaturas diferentes; y
c) unidades de suministro (B, B', V, V') del
cable (F).
5. Aparato según la reivindicación 4 en el que
la variación de la longitud del cable se mide directamente a través
de la medición por medios ópticos de la flecha formada por el cable
entre diferentes puntos de soporte establecidos a temperaturas
diferentes.
6. Aparato según la reivindicación 4
caracterizado porque las unidades de suministro (B, B', V,
V') son adecuadas para ajustar la tensión y la velocidad de
suministro del cable (F) y en el que la variación de la longitud
del cable se mide indirectamente a través de medios adecuados para
la medición de la velocidad del cable en diferentes puntos
establecidos a temperaturas diferentes.
7. Aparato según la reivindicación 4 en el que
dichos medios adecuados para establecer un perfil de la temperatura
conocido a lo largo del cable comprende puntos de contacto del cable
ajustados a diferentes potenciales eléctricos.
8. Aparato según la reivindicación 4 en el que
dichos medios adecuados para establecer un perfil de la temperatura
conocido a lo largo del cable comprende una o más cámaras
termostáticas (T).
9. Aparato según la reivindicación 4
caracterizado porque comprende una pluralidad de cámaras
termostáticas (T) en cada una de las cuales se mantiene constante
una temperatura determinada por medio de sistemas de regulación
automáticos y en el que dichos medios adecuados para medir
directamente o indirectamente la variación de la longitud del cable
están colocados en cada una de dichas cámaras (T).
10. Aparato según la reivindicación 4
caracterizado porque comprende una única cámara termostática
(T) calentada en el área central de la misma de forma que crea un
perfil continuo de la temperatura en dicha gama y en el que dichos
medios adecuados para medir directamente o indirectamente la
variación de la longitud del cable están colocados en puntos
previamente establecidos a lo largo de dicha cámara (T).
11. Aparato según la reivindicación 10
caracterizado porque adicionalmente comprende medios de
verificación en puntos previamente establecidos a lo largo de dicha
única cámara termostática (T).
12. Aparato según la reivindicación 10
caracterizado porque dichos puntos de verificación de la
temperatura previamente establecidos coinciden con los puntos en
los que están colocados dichos medios adecuados para medir
directamente o indirectamente la variación de la longitud del
cable.
\newpage
13. Aparato según la reivindicación 6
caracterizado porque los medios de medición de la velocidad
del cable (F) son poleas (M) de tensión (M) sobre las cuales está
enrollado el cable (F) sin deslizamiento, cuya velocidad de giro se
mide mediante codificadores de alta definición.
14. Aparato según la reivindicación 13
caracterizado porque el paso (P) entre las poleas (M) es
constante.
15. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 4 a 14 caracterizado porque adicionalmente
comprende medios de marcado del cable los cuales son activados
automáticamente si los parámetros medidos alcanzan valores los
cuales están fuera de la gama de tolerancia permisible.
Applications Claiming Priority (2)
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| Publication Number | Publication Date |
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| ES05743494T Active ES2293579T3 (es) | 2004-04-29 | 2005-04-28 | Procedimiento y aparato para el control continuo de la calidad de un cable de aleacion con memoria de forma. |
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